鑽石舞台

醫療器械（如人工心臟瓣膜、體外膜肺氧合、人工血管、血管支架、止血敷料、導尿管）在外科手術及治療中挽救了無數患者的生命。然而，目前的研究均表明，當醫療器械表面與生物液體如血液、尿液等接觸時，可能會出現蛋白質吸附、血液凝固、無機鹽沉積或細菌生物膜形成等不良現象，從而導致炎症、溶血、感染或其他併發症。為了克服上述問題，在過去的幾十年裡，從表面改性到材料創新，研究者們一直致力於製備出能夠抵抗生物污染的材料。最常用的策略是對與生物液體直接接觸的表面進行改性，如接枝生物大分子或者製備生物相容性良好的水凝膠塗層(肝素、聚乙二醇、多肽和兩性離子聚合物等)，以減少蛋白質吸附、血栓積聚和細菌生物膜形成。然而接枝塗層往往存在一些缺點，如改性不均勻，結合不穩定，導致不能完全抵抗生物污染。此外，液體注入的超滑表面雖然可以抵抗生物污染的沉積，但是與生物液體直接完全長時間接觸，會導致表面潤滑層耗損，暴露出原本的表面，最終導致污染物沉積。除此之外，另一種策略是降低材料表面的固-液接觸面積，減少生物液體與材料表面直接接觸的可能性。

在過去的幾十年裡，超疏（如超疏水、超雙疏）表面由於其獨特的潤濕性，在液滴控制、防污、減阻等應用方面受到了廣泛關注。令人驚喜的是，超疏表面對抵抗生物液體亦有效，它會改變生物液體在界面上的剪切應力，誘發界面滑移，有效減小固-液（生物液體）接觸面積。電子科技大學鄧旭教授課題組系統綜述了超疏生物液體表面的潤濕性和相容性機制及其應用。着重闡述了超疏水表面與生物液體之間的固-液相互作用對潤濕性和相容性的辯證影響，總結了超疏生物液體表面在生物醫學領域的最新應用，如外科醫療器械、植入材料、體外循環裝置和生物液體檢測等。

作者首先從基本的表面物理化學理論出發，點明了設計超疏生物液體表面的潤濕性原理；其次從生物液體的複雜性和固-液相互作用機制的角度辯證分析了超疏生物液體表面的生物相容性優勢。超疏生物液體表面具有良好生物相容性的原因包括（1）有效固-液接觸面積低，具有微納米結構的超疏水表面往往同時導致有效固-液接觸和粘附面積的降低；（2）流體動力學，超疏表面的減租效應增加了邊界層的滑移流率，降低了流體內部的剪切應力，從而減小了生物污染物與表面的碰撞；（3）吸附與解吸附，超疏表面上沉降的蛋白質等由於存在固-液界面滑移而受到較大的剪切力，從而導致解吸附也增強。然後作者從表面性能和實驗條件等方面總結了超疏生物液體表面失效的原因，對如何設計超疏生物液體表面提出了獨特的見解。超疏水表面一開始幾乎都能超疏生物液體，但隨着時間的推移，在與血液、尿液等生物液體接觸時，表面會形成蛋白冠，改變表面的化學性質和潤濕性能，使得表面本徵接觸角降低，導致原本穩定的固-液-氣三相接觸線因為Laplace壓力向下滑移，Cassie-Baxter狀態向Wenzel狀態轉變，導致超疏生物液體性能失效。因此，想要設計良好的超疏生物液體表面，要結合生物液體的成分複雜性以及固體表面之間的動態相互作用，以Cassie-Baxter狀態的長期穩定性為前提。之後作者圍繞血液、尿液、唾液、汗液等生物液體，總結了超疏生物液體表面在生物醫學領域的應用，包括體外醫療設備/防護設備（如導管、手套、採血袋）、植入材料（人工心臟瓣膜、血管支架）、止血輔料、體外膜肺氧合、導尿管、醫用外科口罩、生物液體檢測及傳感裝置等。最後，討論了超疏生物液體表面的應用前景和面臨的挑戰。

圖1.超疏生物液體表面的機制與應用